本文档是一篇硕士学位论文，题为《稀土硅酸盐环境障碍涂层高温腐蚀行为与机制研究》，作者为王亚文，指导教师为中国科学院上海硅酸盐研究所的牛亚然副研究员和郑学斌研究员。该论文于2020年6月提交给中国科学院大学，属于材料学领域的工学硕士学位论文。

研究背景与目的

陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMCs）是新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。然而，CMCs在服役过程中容易受到水蒸气和熔盐等环境介质的腐蚀，导致其力学性能显著下降。为了提高CMCs的环境耐久性，研究人员在其表面制备环境障碍涂层（Environmental Barrier Coatings, EBCs）。稀土硅酸盐因其低热导率、与CMCs相匹配的热膨胀系数以及优异的相稳定性，被认为是具有潜力的EBC材料。然而，稀土硅酸盐的晶体结构多样，不同结构的耐腐蚀性能差异较大。此外，等离子体喷涂技术在制备EBCs时，稀土硅酸盐的硅挥发现象会导致涂层物相变化，进而影响其高温腐蚀行为。因此，研究稀土硅酸盐涂层在高温腐蚀环境中的行为与机制具有重要意义。

研究方法与内容

本研究采用等离子体喷涂技术制备了三种稀土硅酸盐涂层体系：（1）四种稀土单硅酸盐（RE2SiO5，RE = Gd, Y, Er, Yb）涂层；（2）不同物相组成的硅酸镱涂层（YSx涂层，Yb2O3:SiO2 = 1:x mol，x = 0.5, 1.0, 1.5, 2.0）；（3）基体表面RE2SiO5/Yb2Si2O7/Si（RE = Er, Yb）涂层体系。研究这些涂层在高温水蒸气和熔盐（CaO-MgO-Al2O3-SiO2, CMAS）环境下的腐蚀行为与机制。

主要研究结果

1. 高温水蒸气腐蚀行为与机制：

   • X2型单斜结构的RE2SiO5（RE = Y, Er, Yb）涂层在水蒸气环境中的耐腐蚀性能优于X1型单斜结构的Gd2SiO5涂层。随着稀土离子半径的减小，涂层的耐蚀性增加，其中Yb2SiO5涂层的耐蚀性最好。
   • 腐蚀机制为涂层表面的RE2O3和RE2SiO5晶粒与水蒸气反应，生成挥发性的RE(OH)3和Si(OH)4，导致表面形成单相RE2SiO5腐蚀层。
   • 在硅酸镱涂层中，富Yb2O3涂层的耐蚀性能优于富Yb2Si2O7涂层，Yb2SiO5的稳定性优于Yb2O3与Yb2Si2O7。

2. 高温CMAS熔盐腐蚀行为与机制：

   • X2-RE2SiO5（RE = Y, Er, Yb）涂层的耐CMAS腐蚀性能优于X1-Gd2SiO5涂层，其中Yb2SiO5涂层的耐蚀性最好。
   • 腐蚀机制为RE2SiO5涂层与CMAS熔体反应，生成Ca2RE8(SiO4)6O2与RE3Al5O12两相产物层，缓解CMAS渗透。X1-Gd2SiO5涂层仅析出Ca2Gd8(SiO4)6O2相。
   • 在硅酸镱涂层中，富Yb2O3涂层的耐蚀性能优于富Yb2Si2O7涂层，Yb2O3可加速熔体中SiO2的消耗并促进Yb3Al5O12的析出。

3. RE2SiO5/Yb2Si2O7/Si涂层体系的高温腐蚀行为与失效机制：

   • 涂层之间的热失配导致面层RE2SiO5涂层产生贯穿裂纹，加速腐蚀介质（水蒸气、CMAS）向涂层内部渗透。
   • 水蒸气腐蚀过程中，RE2SiO5与Yb2Si2O7涂层产生较多气孔，加速O2扩散并使Si涂层氧化生成SiO2层（Thermally Grown Oxide, TGO），导致涂层内部产生横向裂纹。
   • CMAS熔盐腐蚀过程中，面层RE2SiO5表面观察到Ca2Yb8(SiO4)6O2腐蚀层，CMAS沿裂纹向中间层和结合层渗透，导致涂层体系结构破坏。

结论与意义

本研究系统探讨了稀土硅酸盐涂层在高温水蒸气和CMAS熔盐环境中的腐蚀行为与机制，揭示了不同稀土硅酸盐涂层的耐腐蚀性能差异及其背后的机理。研究结果表明，X2型单斜结构的稀土硅酸盐涂层（尤其是Yb2SiO5）在高温腐蚀环境中表现出优异的耐蚀性，这为未来航空发动机热端部件的材料选择提供了重要的理论依据。此外，研究还发现涂层体系的热失配问题是导致涂层失效的重要因素，这为优化涂层设计提供了新的思路。

研究亮点

1. 重要发现：X2型单斜结构的稀土硅酸盐涂层（尤其是Yb2SiO5）在高温水蒸气和CMAS熔盐环境中表现出优异的耐腐蚀性能。
2. 方法创新：通过等离子体喷涂技术制备了多种稀土硅酸盐涂层，并系统研究了其在不同腐蚀环境中的行为与机制。
3. 应用价值：研究结果为航空发动机热端部件的材料选择与涂层设计提供了重要的理论支持，有助于提高发动机的服役寿命和可靠性。

总结

该研究不仅深化了对稀土硅酸盐涂层高温腐蚀行为的理解，还为未来航空发动机材料的设计与优化提供了重要的科学依据。通过揭示不同稀土硅酸盐涂层的耐腐蚀性能差异及其背后的机理，研究为开发更耐用的环境障碍涂层奠定了坚实的基础。